二维莫尔材料中的新型铁电效应 | 应用物理前沿推介系列No.5

Original 李志强中国物理学会 2023-03-11

收录于合集 #前沿推介 8个

前言

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

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本期推介

二维莫尔材料中的新型铁电效应

铁电材料是一类电极化强度与外加电场强度间存在滞回关系（类似于铁磁材料中的磁滞回线）的材料，这种体系推动了物理和材料科学等许多领域的基础研究，而且在传感器、光电器件和信息存储器件等领域具有广泛的应用，是现代信息技术的重要研究方向。目前发现的所有铁电体都基于具有电极性（即存在具有不同电极化方向的两个或多个等效变体）的块材晶体，本期介绍的几个工作[1-4]表明，可以通过堆叠块材非极性的二维材料氮化硼（BN）或者构造双层石墨烯/氮化硼异质结构、形成二维莫尔超晶格来设计和实现铁电材料。这些发现为基于非极性母体材料设计二维铁电体提供了可能，大大拓展了二维铁电体的研究和发展空间。

铁电材料在信息科技中有重要的应用，例如：目前信息技术中计算和存储分离的处理架构要求数据进行频繁的通信交互，使数据处理速度和能效比等方面的问题日益突显；利用非易失存储器件执行模拟计算的存算一体化技术有望消除数据访存带来的延迟和功耗，有望实现更高的算力和更高的能效比，铁电存储器是这方面的一种技术路径。

电子器件的持续小型化要求局域切换小尺寸区域电极化的能力，目前的铁电器件中单个极化畴的尺寸从～100 nm²向原子尺度不断减小；此外，减小铁电材料的厚度是实现更密集存储和更低功耗的铁电非易失性存储器的重要环节。尽管钙钛矿氧化物已广泛用于铁电薄膜材料，这种材料存在许多局限性，例如：由于悬空键和氧的化学计量量难以控制，铁电薄膜对边界条件非常敏感。现有铁电薄膜的这些困难激发了对低维铁电材料的探索。

二维范德华材料的兴起为铁电现象的研究带了来新的机会。二维范德华铁电体具有均匀的原子厚度，无悬空键，可以与其他范德华材料集成，因此很有前景。例如，与石墨烯等高迁移率材料相结合，二维铁电体可用于铁电场效应晶体管或用作铁电隧道结中的超薄势垒。然而，与钙钛矿氧化物类似，二维材料中铁电性的形成受到块材晶体电极性的限制。在许多层状晶体（如六方氮化硼）中，电极化受到中心对称（无极性）范德华结构的抑制，后者具有比其他堆叠更低的能量。而本期介绍的几个工作[1-4]表明，中心对称的范德华材料可以通过原子尺度的莫尔超晶格构造而变成二维铁电体。

近年来二维莫尔材料的兴起为凝聚态物理和相关其他学科带来了令人兴奋的机会。把相邻层间具有晶格失配或相对扭曲角的范德华材料堆叠在一起会形成莫尔超晶格（往往称为“莫尔工程”），这种超晶格的结构和电子能带与单层材料相比有巨大的改变，进而产生全新的电学、热学、光学特性，实现了超导、陈氏绝缘体、磁性等一系列强关联效应和拓扑效应，为发现和构造全新的量子现象和器件功能提供了一个高度可调的量子材料平台。

图1 A, 块材h-BN晶体具有中心对称性，是非极性的。B，转角BN体系中可以形成由AB、BA和AA堆叠区域组成的莫尔图案。C、D，AB和BA结构打破反转对称性，表现出由于N原子2pz轨道畸变而引起的、垂直平面的电极化，AB和BA堆叠区域具有相反方向的电极化。

通过“莫尔工程”可以在BN薄膜中实现铁电性[1-3]。块材h-BN晶体具有层状结构，每个单层具有硼（B）和氮（N）原子交错出现的蜂窝结构，按AA′的方式堆叠（图一），使得h-BN晶体具有中心对称性（非极性）。而有趣的物理可以在其他堆叠方式中实现：相邻BN单层之间的相对弱的范德华耦合允许它们在亚稳态非中心对称配位中平行排列，支持具有平面外电极化的二维铁电性。研究发现，转角BN体系中可以形成由AB、BA和AA堆叠组成的莫尔图案，晶格弛豫将此莫尔图案重建为由畴壁和AA区域分隔的、大面积三角形AB和BA堆叠区域。其中AB和BA结构破坏了反转对称性，表现出由于N原子2pz轨道畸变而引起的、垂直平面的电极化（图一）。AB和BA堆叠具有镜面反射对称性，因此实验中观测到转角BN体系中AB和BA堆叠区域具有相反方向的电极化，而且可以通过施加偏置电压或操控AB和BA的畴壁来实现极化的转换。

图2 A，双层石墨烯在外加平面外位移场下的能带以及低能电子态的层极化示意图。B，双层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格示意图。

最近在双层石墨烯/氮化硼莫尔系统中也观测到了非常规的铁电性[4]。AB堆叠双层石墨烯具有中心对称性（无铁电性），施加平面外位移场会在能带边缘附近的波函数中产生层极化（图二）和非零Berry曲率，引入拓扑谷输运、谷激子等丰富的物理现象，理论预测双层石墨烯中广泛存在自发电子有序态。实验发现双层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格中可以出现非常规的铁电现象，一个可能的物理图像是：层特定莫尔平带中的强关联作用导致双层石墨烯发生层间电荷转移，从而引起了电极化；这个理论理解还有待今后研究的进一步验证。

最近的这些工作[1-4]使得合成铁电性成为一个新的研究方向，使用“莫尔工程”创造全新的量子现象、实现新的器件功能，为今后的工作提供了有益的启示，为二维铁电的基础研究和应用提供了新的机会。二维铁电体工程可以扩展到其他多种范德华材料，合成的二维铁电体可以与其他范德华材料结合，实现电子、自旋电子和光学等器件的功能化。今后的工作需要进一步验证和提高这些二维铁电体的读写速度、功耗、存储密度、可靠性等关键性能指标，需要实现器件集成化，才有可能把它们用于高性能电子器件。总的来说，这个新兴方向充满了机遇。

推介人

李志强 四川大学物理学院教授。研究方向为实验凝聚态物理，低维拓扑量子体系的物理和量子光学。主要关注新型二维材料、拓扑绝缘体等量子材料，研究着重于对这些体系的能带、多体相互作用、拓扑序等新奇物理的理解，探索新的量子现象，实现新型量子器件。

参考文献

［1］ K. Yasuda, X. Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, Science 372, 1458 (2021).

［2］M. Vizner Stern, Y. Waschitz, W. Cao, I. Nevo, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Sela, M. Urbakh, O. Hod, M. Ben Shalom, Science 372, 1462–1466 (2021).

［3］C. R. Woods, P. Ares, H. Nevison-Andrews, M. J. Holwill, R. Fabregas, F. Guinea, A. K. Geim, K. S. Novoselov, N. R. Walet, L. Fumagalli, Nat. Commun. 12, 347 (2021).

［4］ Z. Zheng, Q. Ma, Z. Bi, S. de la Barrera, M. H. Liu, N. Mao, Y. Zhang, N. Kiper, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Kong, W. A. Tisdale, R. Ashoori, N. Gedik, L. Fu, S. Y. Xu, P. Jarillo-Herrero, Nature 588, 71–76 (2020).

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主任：吴义政，复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元